科氏加速度实验测试装置

摘要

一种科氏加速度实验测试装置，包括主架、主架上的固定支柱、固定支柱上的转动节点、固定支柱内并由可调电机带动作垂直移动的升降杆、转动节点上可调夹角的轻质弹性杆、套在轻质弹性杆上的大质量滑块；固定支柱上还安装有引电器、限位开关，以及驱动转动节点绕转轴z旋转的可调电机和传动机构，转动节点上安装角度传感器和直线位移传感器，轻质弹性杆一端安装双面电阻应变计；引电器再与信号处理装置、计算装置相连；本发明有利于学生形象、直观、具体地理解和掌握科氏加速度概念；测量精度高、简单，动态、性能稳定，也方便传递到计算机进行计算和分析，能给出所需的数据和图表，可以使实验丰富、多样、有趣。

说明书

技术领域

本发明属于实验教学技术领域，特别涉及到理论力学实验测试装置。

背景技术

科氏加速度是1832年由科利奥里发现的，因而命名为科利奥里加速度(Coriolisacceleration)，简称科氏加速度。科氏加速度在自然现象中是有所表现的。就地球而言，即使不考虑地球绕太阳公转运动，地球也会绕地轴自转运动，地球作为动参考系，地球上物体相对于地球运动，都是牵连运动为转动的合成运动，都会有科氏加速度存在。地球自转角速度相对很小，一般情况下其自转的影响可以不计；但是在某些情况下，却必须给予考虑。例如，在北半球，河水向北流动时，河水的科氏加速度向西。由动力学可知，有向西的加速度，河水必受有东岸对水的向西的作用力。根据牛顿第三定律，河水必对东岸有反作用力。北半球的江河，其东岸都受有较明显的冲刷。又如，南北方向行驶的列车，其两条钢轨磨损情况不同，也是由于科氏加速度影响所致。

目前，我国理工院校现有的科氏惯性力实验，专利申请号00238626.7，都是演示性的，只能定性地分析科氏惯性力，不能定量测试科氏惯性力。就目前还没有针对科氏加速度方面的实验测试装置。在教学上，科氏加速度是教学中的重点和难点，学生不易理解和掌握，如借助本发明的装置，学生(或学习者)通过动手做实验测试，就能形象、直观、具体地理解和掌握科氏加速度概念，且便于进一步理解和掌握点的合成运动以及点的加速度合成定理等。

发明内容

本发明的目的是解决在牵连运动为转动的合成运动中科氏加速度演示问题，以及解决科氏加速度实验测试问题。

由理论力学知，动坐标系转轴z与动点运动方向成角度θ(θ可以取任意角)，点的加速度合成定理为

a_a＝a_e+a_r+a_c(矢量式)

其中，a_a为绝对加速度；a_e为牵连加速度；a_r为相对加速度；而a_c为科氏加速度。

科氏加速度的大小为

a_c＝2ω_ev_rsinθ

其中，ω_e为转动节点[1]的牵连角速度大小；v_r为大质量滑块[10]相对轻质弹性杆[9]的相对速度大小；θ为ω_e与v_r的夹角，并且有θ＝π-φ，φ为轻质弹性杆[9]与固定支柱[4]的夹角。

本发明所述的装置包括主架[6]、固定在主架上的固定支柱[4]、安装在固定支柱上并由旋转驱动装置带动作水平旋转的转动节点[1]、安装在固定支柱内并由可调电机[2]带动作垂直移动的升降杆[3]、安装在转动节点[1]上可调夹角的轻质弹性杆[9]、套在轻质弹性杆上的大质量滑块[10]；固定支柱[4]上还安装有引电器[5]、限位开关[8]，以及驱动转动节点绕转轴z旋转的可调电机[2]和传动机构，在转动节点[1]上安装有测量轻质弹性杆夹角的角度传感器[13]和测量大质量滑块相对位移的直线位移传感器[12]，轻质弹性杆[9]一端安装双面电阻应变计[11]。

本发明所述的装置还包括信号处理装置，以及计算装置(如计算机、计算与显示装置等)，信号处理装置与上述引电器[5]连接，再与计算装置相连。

本发明的工作状况如下(参见附图)：

可调电机[2]带动转动节点[1]绕转轴z旋转；轻质弹性杆[9]与z轴夹角φ的大小可通过角度传感器[13]、引电器[5]，将信号传递给信号处理装置；轻质弹性杆[9]绕x轴转φ＝0°时由限位开关[8]保护；大质量滑块[10]在自重和绕z旋转的离心力作用下沿轻质弹性杆[9]运动；轻质弹性杆[9]随着转动节点[1]绕z轴转动，带动大质量滑块[10]运动，直线位移传感器[12]和双面电阻应变计[11]通过引电器[5]将信号传递给信号处理装置，经处理后再输入至计算装置，计算出科氏加速度，并加以分析。

可调电机[2]驱动升降杆[3]使转动节点[1]和轻质弹性杆[9]一起作升或降运动，大质量滑块[10]沿轻质弹性杆[9]运动，可演示牵连运动为平移时的合成运动实验，即科氏加速度为零的情况。

1、当转动节点[1]顺时针或逆时针绕z轴转动时，大质量滑块[10]放在轻质弹性杆[9]的下端不动，虽然有动坐标系的转动，而大质量滑块[10]没有相对运动，此时就不会出现科氏加速度。

2、当转动节点[1]不转动，大质量滑块[10]沿轻质弹性杆[9]滑下时，因只有相对运动而没有动坐标系的转动，即没有牵连运动，此时也不会出现科氏加速度。

3、当升降杆[3]推动转动节点[1]和轻质弹性杆[9]一起作上下平移，即动坐标系作平移时，尽管大质量滑块[10]沿轻质弹性杆[9]作相对运动(下滑)，根据点的加速度合成定理，此时同样不会出现科氏加速度。

4、当转动节点[1]顺时针或逆时针绕z轴转动，同时带动轻质弹性杆[9]一起转动时，大质量滑块[10]沿轻质弹性杆[9]作相对运动，由于动坐标系的转动和动点在动坐标系上有相对运动时，就会有科氏加速度，也会引起沿轻质弹性杆[9]弯曲变形，通过观察变形程度，就能演示科氏加速度的大小。直线位移传感器[12]和双面电阻应变计[11]通过引电器[5]将信号传递给信号处理装置，再输入至计算装置，就能计算科氏加速度，并加以分析。

5、改变转动节点[1]的转动方向和转速或改变轻质弹性杆[9]的横截面大小、形状、材料等或大质量滑块[10]的质量大小都可以改变科氏加速度的大小。

6、改变轻质弹性杆[9]的夹角φ，可以改变科氏加速度的大小。

7、改变转动节点[1]的转动方向和转速，改变轻质弹性杆[9]的夹角φ，可以改变科氏加速度的大小。

8、改变轻质弹性杆[9]的夹角φ为90°时，在其它条件不变的情况下，科氏加速度的大小最大，即

a_cmax＝2ω_ev_r

另外，上述的轻质弹性杆[9]可以是带挡板的矩形截面、箱形截面、空心圆截面、T型截面、工字型截面等。大质量滑块[10]可以是套筒、滚珠等。直线位移传感器[12]可以是光栅位移传感器、拉绳式位移传感器或拉杆式传感器。角度传感器[13]可以是光电分度式传感器或光栅编码式传感器。引电器[5]可以是碳刷式引电器或水银式引电器。可调电机[2]可以是变频调速电机或直流调速电机；双输出轴电机或两个电机。

本发明所述装置的也可以不设升降杆[3]，其它部件如附图所示结构。

本发明所述的装置，能够实现牵连运动为转动时的合成运动中的科氏加速度演示。同时，通过双面电阻应变计，采用电测法，能测出轻质弹性杆某点的应变，并通过直线位移传感器直接测量大质量滑块的位移，通过引电器、信号处理装置，将所测量的信号传递给计算装置(计算机)，利用梁弯曲理论和运动学及计算程序，可以得到科氏加速度及有关图表，从而帮助学生形象、直观、具体地理解和掌握科氏加速度概念，更好地理解和掌握点的合成运动以及点的加速度合成定理等知识。

本发明的优点和效果：

若使轻质弹性杆[9]产生大的变形，演示时就容易观察，有利于学生形象、直观、具体地理解和掌握科氏加速度概念；

采用直线位移传感器[12]、双面电阻应变计[11]，应用电测法测量精度高、简单，动态、性能稳定，也方便传递到计算机进行计算和分析，能给出所需的数据和图表。

采用升降杆[3]、可调电机[2]，可以进行牵连运动为平移时的合成运动实验，此时无科氏加速度。

采用角度传感器[13]可以按照实验目的和要求调整和测出ω_e与v_r的夹角θ，改变现有技术中角度θ保持不变的情况。

按照实验目的和要求，轻质弹性杆[9]和大质量滑块[10]可以更换成不同的类型杆或滑块进行实验，从而使实验丰富、多样、有趣。

附图说明

附图是本发明所述的科氏加速度实验测试装置的示意图。其中1为转动节点，2为可调电机，3为升降杆，4为固定支柱，5为引电器，6为主架，7为调节支撑，8为限位开关，9为轻质弹性杆，10为大质量滑块，11为双面电阻应变计，12为直线位移传感器，13为角度传感器；x、y、z为直角坐标轴，ω_e为转动节点1的角速度大小；v_r为大质量滑块10相对轻质弹性杆9的相对速度大小，φ为轻质弹性杆9与固定支柱4的夹角。

具体实施方式

本发明将结合附图，通过以下实施例作进一步说明。

实施例。

根据附图所示，可调电机2带动转动节点1绕转轴z旋转；轻质弹性杆9与z轴夹角φ的大小可通过角度传感器13、引电器5，将信号传递给信号处理装置；轻质弹性杆9绕x轴转φ＝0°时由限位开关8保护；大质量滑块10在自重和绕z旋转的离心力作用下沿轻质弹性杆9运动；轻质弹性杆9随着转动节点1绕z轴转动，带动大质量滑块10运动，直线位移传感器12和双面电阻应变计11通过引电器5将信号传递给信号处理装置，经处理后再输入至计算装置，计算出科氏加速度，并加以分析。

可调电机2驱动升降杆3使转动节点1和轻质弹性杆9一起作升或降运动，大质量滑块10沿轻质弹性杆9运动，可演示牵连运动为平移时的合成运动实验，即科氏加速度为零的情况。

1、当转动节点1顺时针或逆时针绕z轴转动时，大质量滑块10放在轻质弹性杆9的下端不动，虽然有动坐标系的转动，而大质量滑块10没有相对运动，此时就不会出现科氏加速度。

2、当转动节点1不转动，大质量滑块10沿轻质弹性杆9滑下时，因只有相对运动而没有动坐标系的转动，即没有牵连运动，此时也不会出现科氏加速度。

3、当升降杆3推动转动节点1和轻质弹性杆9一起作上下移动，即动坐标系作平移时，尽管大质量滑块10沿轻质弹性杆9作相对运动(下滑)，根据点的加速度合成定理，此时同样不会出现科氏加速度。

4、当转动节点1顺时针或逆时针绕z轴转动，同时带动轻质弹性杆9一起转动时，大质量滑块10沿轻质弹性杆9作相对运动，由于动坐标系的转动和动点在动坐标系上有相对运动时，就会有科氏加速度，也会引起沿轻质弹性杆9弯曲变形，通过观察变形程度，就能演示科氏加速度的大小。直线位移传感器12和双面电阻应变计11传递信号给控制器14，再输入计算机15就能计算科氏加速度，并加以分析。

5、改变转动节点1的转动方向和转速或改变轻质弹性杆9的横截面大小、形状、材料等或大质量滑块10的质量大小都可以改变科氏加速度的大小。

6、改变轻质弹性杆9的夹角φ，可以改变科氏加速度的大小。

7、改变转动节点1的转动方向和转速，改变轻质弹性杆9的夹角φ，可以改变科氏加速度的大小。

8、改变轻质弹性杆9的夹角φ为90°时，在其它条件不变的情况下，科氏加速度的大小最大，即

a_cmax＝2ω_ev_r

另外，上述的轻质弹性杆9为带挡板的矩形截面；大质量滑块10为套筒；直线位移传感器12为光栅位移传感器；角度传感器13为光电分度式传感器；引电器5为碳刷式引电器；可调电机2为变频调速电机，双输出轴电机。

本实施例所述的计算装置为计算机。

实施例2。

参考附图所示，本实施例所述的装置为不设升降杆3，其他部件如附图所示结构。